孫佳哲 王磊

摘要：對基于Davinci技術的TMS320DM368處理器為核心的高清數(shù)碼顯微鏡進行了研究。提出了基于TMS320DM368的高清數(shù)碼顯微鏡的設計方案，解決了高清數(shù)碼顯微鏡的攜帶不便、體積大、高清和昂貴等問題。該高清數(shù)碼顯微鏡充分利用了TMS320DM368強大的多媒體處理功能，對外接口齊全，功能完善，體積小巧，集成度高。該處理器擁有DSP和ARM兩個內核，提高了顯微鏡的圖像處理能力。

關鍵詞：數(shù)碼顯微鏡；DSP；ARM；TMS320DM368；Davinci

中圖分類號：TH742文獻標識碼：A文章編號：1009-3044(2012)23-5709-03

隨著多媒體技術的飛速發(fā)展，人們對于嵌入式圖像采集和處理系統(tǒng)的要求越來越高。高像數(shù)、圖像清晰的數(shù)碼顯微鏡產(chǎn)生了。高清數(shù)字顯微鏡可以代替人眼觀察，從而克服人眼由于長時間的觀察后的疲勞還可以便于后續(xù)的圖像處理和存儲。高質量的圖像處理和低成本是可攜帶數(shù)碼顯微鏡最為重要的部分。通過高清數(shù)碼顯微鏡可以實現(xiàn)對顯微鏡監(jiān)測對象實時、遠距離監(jiān)測，并且監(jiān)測圖像或者視頻信息還可以永久的保存下來，進一步對圖像分析、處理。

早年，數(shù)碼顯微鏡已經(jīng)被廣泛使用，但是它的分辨率比較低，質量也不是很理想。在該文中，提出了一個基于TMS320DM368的數(shù)碼顯微鏡系統(tǒng)，TMS320DM368芯片是以ARM926EJ-STM為核，擁有兩個視頻圖像協(xié)處理器（HDVICP和MJCP），廣泛運用于圖像和視頻的系統(tǒng)。該文結合了ARM和DSP兩個部分，將圖像處理模塊和控制模塊結合起來，目的是為了得到一個高質量而且能降低費用的顯微鏡。因為低成本，高集成度和動態(tài)范圍寬的優(yōu)勢，所以我們選用CMOS作為這種成像系統(tǒng)中的光學成像傳感器。

整個系統(tǒng)尺寸小、集成度高、功能強并且通信方式多樣常見，所以在實用性和推廣性上都有著一定的優(yōu)勢。

1高清數(shù)碼顯微鏡系統(tǒng)架構

傳統(tǒng)的網(wǎng)絡視頻監(jiān)控系統(tǒng)的整體框圖如圖1所示。從中我們可以看出首先通過顯微鏡觀察樣片或標本，將樣片或標本成像于CMOS圖像傳感器的像面上，然后通過CMOS圖像傳感器采樣捕捉圖像直接將模擬圖像信號輸出為數(shù)字圖像信息，并利用USB2.0接口直接輸入到計算機中進行存儲和顯示，并在計算機中進行各種相應的分析處理。[1]

圖1傳統(tǒng)數(shù)碼顯微鏡系統(tǒng)原理框圖

該文所涉及的數(shù)碼顯微鏡是以TMS320DM368為核心，用圖像傳感器作為圖像采集設備來實時采集高清的數(shù)字圖像數(shù)據(jù)，采集的數(shù)據(jù)可以利用BNC端口作為模擬視頻信號在顯示器上顯示，并通過H.264壓縮編碼視頻，同時將結果實時地通過網(wǎng)絡接口傳輸?shù)竭h程的客戶端。用戶可以利用客戶端軟件，通過IP地址定位數(shù)碼顯微鏡，實時監(jiān)視遠程監(jiān)控錄像畫面，并能通過網(wǎng)絡向數(shù)碼顯微鏡發(fā)送控制指令。

根據(jù)上圖的高清數(shù)碼顯微鏡結構，整個高清數(shù)碼顯微鏡可以分為核心處理模塊；網(wǎng)絡傳輸模塊；外設模塊；存儲模塊；信號采集；電源模塊。該文主要對核心處理模塊和存儲模塊進行介紹。

2硬件設計

2.1核心處理模塊

TMS320DM368是基于DaVinci的系統(tǒng)結構，其主要特點是ARM和DSP的完美融合。利用ARM擅長任務協(xié)調的特點，處理各種控制程序。作為系統(tǒng)核心，調度整個高清數(shù)字顯微鏡的運行；然后將所有高復雜度的圖像處理算法和圖像識別算法全部交由計算能力強大的DSP部分完成。

DSP即數(shù)字信號處理器，其主要特點就是能夠進行大量的乘加運算，擁有高速計算能力，并且DSP的數(shù)據(jù)和程序分離存儲，這樣充分利用了所有線寬，進一步加速了DSP的處理速度;而ARM處理器盡管沒有DSP那么迅速的圖像處理速度，但是ARM支持實時的操作系統(tǒng)，擁有全性能的MMU，支持Windows CE、Linux、Palm OS等嵌入式操作系統(tǒng)，擅長于嵌入式程序之間的線程調度和任務管理，所以ARM被用來負責系統(tǒng)通訊、數(shù)字顯微鏡整體控制和進程管理等任務。

TMS320DM368中的ARM子系統(tǒng)采用一個ARM926EJ-S內核和一個MJCP協(xié)處理器的設計，擁有32KB內部RAM和16KB的ROM、中斷控制器、鎖相環(huán)(PLL)控制器、電源管理模塊等。ARM子系統(tǒng)管理和協(xié)調芯片內其他功能模塊的工作。整個ARM子系統(tǒng)采用流水線的工作方式執(zhí)行系統(tǒng)控制任務，例如系統(tǒng)的初始化、參數(shù)配置、電源管理和用戶功能等。ARM較大的程序存儲量和迅速的任務切換能力，使得它適合復雜的、多線程的任務調控。ARM子系統(tǒng)包含兩種工作狀態(tài)：ARM(32-bit)模式和Thumb(16-bit)模式。

ARM的中斷控制器(ARM INTC)支持64個中斷通道(16個為外部中斷)，包括了快速中斷請求(FIQ)和中斷請求(IRQ)，并且為各種中斷加入了優(yōu)先級設計，其中FIQ兩個層級，IRQ擁有六個層級。整個控制器通過中斷入口表配置中斷優(yōu)先級，這樣可以減少中斷處理時間。

兩者之間的通訊方式如圖3所示，可以很清楚的看到ARM可以訪問DSP的片內存儲器，包括L2RAM和L1P/D，DSP也可以訪問ARM的片內存儲器，并且ARM和DSP共享DDR2和AEMIF，其中AEMIF是指異步的外接存儲器接口（Asynchronous External Memory Interface）。因此通常情況下ARM只需要將處理數(shù)據(jù)的地址指針傳遞給DSP，而不需要大量的數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)中的DSP和ARM通過2個內核相互中斷實現(xiàn)通信，ARM使用DSP的4個通用中斷和1個不可屏蔽中斷來控制DSP；而DSP通過兩個中斷來中斷ARM。DSP的電源、時鐘、復位都是由ARM進行控制[2]。

2.2存儲模塊

整個存儲模塊使FLASH和SDRAM兩種存儲方式。SDRAM是一種同步動態(tài)隨機儲存器[3],存儲速度遠遠高于FLASH存儲器，但是數(shù)據(jù)無法掉電保持。而FLASH是掉電后還能保持的存儲器，可以多次擦寫和再編，主要用于內核和文件系統(tǒng)的存儲。

在TMS320DM368上有兩個外部存儲器的接口(External Memory Interface，EMIF)[4]。一個是同步外部儲存器接口，能夠使用DD RII存儲器。另外一個是異步的外部存儲器，適合低速的存儲器，這里的設計中我們選擇的是NAND FLASH，選擇NAND的原因是存儲量大、價格便宜。

Flash使用K9F5608D0C，為32M*8bit的Flash，總容量256M，使用8位總線與TMS320DM368連接。該款芯片價格較低，而且TI公司也提供的內核中也包含了FLASH通用的驅動軟件，免去了驅動移植的步驟，所以我們選用該芯片[5]。

SDRAM K4T1G164QA作為高清數(shù)碼顯微鏡的主要存儲設備，存儲容量1GB，使用16位數(shù)據(jù)線，14位地址線和3根塊選擇信號線線與DM368所提供的專門的DDR2控制接口連接(DDR2/mDDR Memory Controller)[6]，工作電壓1.8V，主要用于臨時存儲因延時堆積的圖像和運行的程序保存。

3軟件設計

軟件應用方面包括了三個部分：輸入/輸出接口層，信號處理層和應用處理層。

輸入/輸出接口層，針對DaVinci外設模塊的驅動程序，負責圖像、視頻等信號數(shù)據(jù)的采集與播放；信號處理層主要是運行于DSP端，負責對采集進來的圖像數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)進行編碼工作，主要由硬件加速器，視頻協(xié)處理器來完成；運行于ARM端的應用處理層與DSP端進行通信時，通過Codec Engine的VISA(Video, Image, Speech,Audio) API來調用DSP側的算法，而與外設進行通信時，通過頂層軟件管理來對數(shù)據(jù)流進行操作，如存儲、網(wǎng)絡流媒體傳輸、web服務器等。ARM應用程序調用Codec Engine的VISA API，來完成圖像數(shù)據(jù)和視頻數(shù)據(jù)的編碼工作。

4實驗結果

根據(jù)該文所研究的系統(tǒng)設計，如圖4可見完成的數(shù)碼顯微鏡目鏡。所設計的系統(tǒng)包含了一個傳感器模塊和一個TMS320DM368的實時圖像采集主板。圖5展示了實驗時所拍攝的圖像。

5總結

數(shù)字顯微鏡目鏡的關鍵問題是圖像的高品質采集和顯示。然而，大多數(shù)研究集中在基于PC的圖像采集和處理系統(tǒng)。在該文中，提出了一個基于TMS320DM368的高清晰數(shù)字顯微鏡的設計，可廣泛用于工業(yè)產(chǎn)品的檢測或顯微鏡圖像觀察。在此文中運用了DaVinci系統(tǒng)，它很好的將ARM和DSP融合運用。圖像傳感器使用了CMOS芯片MT9P031,它是一個1/2.5 inch的CMOS芯片。

該文將傳感器和控制器集成到一個尺寸較小的嵌入式系統(tǒng)中，以獨立完成圖像采集、數(shù)據(jù)存儲和圖像顯示功能，由此研制出嵌入式便攜高清數(shù)碼顯微鏡。通過高速采集處理，可使百萬像素圖像的實時顯示幀率達到30 f/s甚至更高,從而滿足實時性的要求。在接下去的研究中將優(yōu)化圖像處理算法，計劃使用分布式的圖像處理方式降低一半的圖像處理時間，這一方案的可行性還在研究當中。接著，集成進電池模塊、大容量硬盤模塊和無線網(wǎng)絡模塊，硬盤和無線網(wǎng)絡模塊都可以通過USB接口進行擴展。

參考文獻：

[1]司騫.數(shù)碼顯微鏡圖像采集處理系統(tǒng)的研制[D].天津:天津大學精密儀器與光電子工程學院,2006.

[2]劉仁杰,司建敏,鄒建成.基于達芬奇平臺的數(shù)字水印檢測器原理及設計[J].北方工業(yè)大學學報,2010,22(1):8-12.

[3] Synchronous dynamic random access memory[EB/OL].http://en.wikipedia.org/wiki/Synchronous_dynamic_random_access_memory.

[4] TI Incorporated. TMS320DM368 Digital Media System-on-Chip[EB/OL].2011, http://focus.ti.com/docs/prod/folders/print/tms320dm368. html.

[5] TI Incorporated. TMS320DM36x Digital Media System-on-Chip(DMSoC)Asynchronous External Memory Interface(EMIF)[EB/OL].2009, http：//focus.ti.com/list/pdf/SPRUFll.

[6] Texas Instruments Incorporated. TMS320DM36x Digital Media System-on-Chip (DMSoC) DDR2/mDDR Memory Controller. http://focus. ti.com/lit/ug/sprufi2/sprufi2.pdf, Mar.2009.